红外辐射源

nullnull第三章 红外辐射源 任何发射红外波段电磁波的物体均称为红外辐射源。null§3.1 黑体型辐射源一. 黑体型辐射源的用途及理论用途：作为辐射源，广泛地用作红 外设备的绝对标准。理论研究： 空腔小孔的有效发射率与1的 近似程度。空腔小孔近似为黑体辐射源发射率略小于1nullGouffe’理论的结论1. 腔孔的有效发射率εo总是大于腔壁材料 的发射率ε2. 在腔长与口径之比（l/R）的值相同的情 况下， ε↗→ εo↗3. 在ε值相同的情况下， l/R的值↗ → εo↗4. 对同一个l/R值，空腔内面积↗ → εo↗5. 若ε足够大，l/R足够大，εo将与波长无关 且εo→1，可视为黑体源。nullnull二. 黑体辐射源的构造1. 构造主要组成部分：腔体、加热线圈、保温 层、温度计和温控部分P92null2. 分类（1）按辐射腔口的口径分类大型：Φ≥100 mm 中型：Φ≈36 mm 小型：Φ≤10 mm（2）按工作温度的范围来分类高温：3000~2000K 中温：900 ~ 500K 低温：400 ~ 200Knull3. 设计考虑（1）腔型的选择 大多数取l/R ≥6，l/R↗ → εo↗，但l/R太大均匀加热难。null（2）腔芯①高导热率，以减少腔壁的温度梯度。 ②在使用温度范围内（尤其高温时），有好 　的抗氧化能力和氧化层不易脱落的性能。 ③材料表面的发射率要高。材料 能满足上述所有要求的材料不多，实际中采取一些折中的办法。null对1400K以上，常采用石墨或陶瓷。 对1400K以下，常采用金属，铬镍不锈钢 （热导率好） 对低于600K，用铜制做，热导率较高。为增加腔的ε： ①对表面粗糙加工 ②涂上某种ε高的涂料层（温度不太高时）null（3）腔体的等温加热 为使辐射源更接近于理想黑体，要求腔体要等温加热。∵开口处温度低 ∴恒温区越长越好 但太长难以制作 一般1/3~2/3的恒 温区就可以满足 实验室的要求。null等温加热的方法：① 改变腔芯外形，使任一点上腔芯的横断 面积相等，以保证每一加热线圈所加热 的腔芯体积相等。 ② 在开口处附近，增加线圈匝数，补其热 损失。null（4）腔体的温控和测量辐出度M的相对变化 可见：腔体温度变化对辐出度变化的影 响较大。null例： 若要求供给红外设备标准用的黑体 源变化小于10%，则要求温度变化不 超过 2.5% 。∵温控和测量直接影响黑体的性能好坏 ∴通常提出控温精度和温度稳定性的要求null测温点的选择（因为黑体内的温度不可能是完全恒温的）一般规定 圆柱型腔：取腔底部 圆锥型腔：取锥顶点处 球 形 腔：开口的对称中心位置温度计：一般用热电偶、铂电阻温度计控温方法：人工控制输入电压 自动电子控温器null（5）光阑光阑的使用： 1. 降低了黑体前表面的辐射； 2. 规定了黑体有一定的使用视场。null三. 指标要求有效发射率 εo； 温度范围； 孔径尺寸；加热时间；控温精度； 温度稳定性；视场；恒温区； 重量；尺寸。null§3.2实用红外辐射源一.能斯脱灯结构：由锆、钇、钍和其它氧化物混合 体烧结而成的空心圆柱体。 L ≈2～ 5cm；Φ≈１～３cm2. 工作特性室温下：非导体→经加热400c°→成导体工作前需预热。null能斯脱灯有负的电阻温度系数。（T → 800 c°时，电阻大大减小 ）使用时电路中需加镇流器。工作温度：1700—1800K有效光谱范围： 2—15 μm发射率：＞１５μm时， ε有所下降。 2~15 μm范围， ε的平均值0.66。null优点：发出的光强度高。缺点：机械强度低； 空气流动易引起光源温度的变化。null二. 发光硅碳棒结构：由碳化硅做成的实心圆棒。 L ≈5～ 10cm；Φ～5cmnull工作温度：1200—1400K有效光谱范围： 2—15 μm； 辐射最大值： 8 ~ 9 μm。 发射率：2~15 μm范围，ε的平均值0.8。2. 工作特性室温下：是导体，不需预热。输入电压、电流：50v、~5A 需镇流器null三. 白炽灯 光谱范围 0.4 ~3 μm辐射能 可见光谱区 6~12% 近红外辐射 ~70% 泡内气体、外壳吸收~20%缺点：发光效率与寿命矛盾、机械强度差 优点：价廉、可得到大的光通量null四. 卤钨灯白炽灯： 发光效率↗必有灯丝温度T ↗ →钨丝蒸发↗ →灯丝变细→灯壳变黑→亮度↙→寿命↙。卤钨灯：灯点亮后灯丝1700~2800 c°null从灯丝蒸发的钨分子 →卤钨灯管壁附近（T=250~1200 c° ） 与卤族元素化合成挥发性的卤化钨分子→扩散到温度高的灯丝附近→分解成钨分子和卤素分子→钨分子沉积在灯丝上→灯丝不因蒸发而变细。卤素分子→扩散到泡壁附近再继续与从灯丝蒸发出的钨分子化合。卤钨灯：null卤钨灯有效地消除了泡壁上钨的沉积，延长了灯丝的寿命，提高了发光效率。优点： 发光效率，是白炽灯的2~3倍。 体积小，是同功率白炽灯的0.5~3% 。 光通量稳定。缺点：价格贵、管壁温度高。null五.气体放电光源气体放电：电流通过气体媒质时的放电现 象称为气体放电。气体放电灯：利用气体放电而发光的原理 制成的灯。 光谱：与气体或金属蒸汽的种类及放电 条件有关，光谱不连续。null六. 激光器null1. 激光器的基本结构激光器通常由三部分组成工作物质、激励源、谐振腔null(1) 工作物质工作物质：发射激光的材料固体、气体、液体、半导体钕玻璃脉冲激光器，掺钕的钇铝石榴石固体激光器 He—Ne混合气体、氩离子（A+r）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 有机染料激光器 砷化镓（GaAs）半导体激光器null（1） 光学性质均匀、透明性好且性能稳定； （2）有能级寿命较长的能级—亚稳态能级 ； （3）有比较高的量子效率。 从激光输出性能，如能量转换率、激光束的相干性、激光能量高低、激光器使用寿命、激光能量稳定性等方面考虑工作物质的作用及对其的基本要求：null光子与原子系统的相互作用1） 原子能级及粒子数正常分布能级：原子（分子或离子）具有一系列不 同的运动状态，每一种运动状态都 有其确定的能量值。 这些不同状态的能量值是分立的，称为能级。null基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高于基态的其它能级状态简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目原子能级示意图原子能级、简并度电子的能级，依次用E0，E1，E2，… En表示null玻尔兹曼分布 原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布。设：原子体系的热平衡温度为T，则在能级 En上的原子数Nn为：null可见：能级越高，粒子数越少。 室温下，绝大部分粒子处于基态。null辐射跃迁：原子由于发射或吸收光子而从一 个能级改变到另一个能级。发射或吸收光子的 频率满足选择定则无辐射跃迁：原子只是通过与外界碰撞或其 它交换能量的过程，而从一个 能级改变到另一个能级。 （即不吸收也不发射光子）null2）光的自发辐射、受激辐射、受激吸收普朗克黑体辐射公式null 黑体普朗克公式表示的黑体辐射，实际上是辐射场和构成黑体的物质、原子相互作用的结果。 这种相互作用应包含原子的自发辐射、受激辐射、受激吸收三种过程。在实际系统中三种过程总是同时出现的，只是各自所占的比重不同。为简化问，只考虑原子的两个能级E1、E2 单位体积处于两能级的原子数分别为N1、 N2null（a）自发辐射自发辐射：在没有外来光子的情况下， 原子自发跃迁发出的光子。null特点：是个随机过程，各波列间没有固定位 相关系，可以有不同的偏振方向、传 播方向、相互间不相干，自发辐射的 能量平均地分配到腔内所有模式上。所以：自发辐射的光源，方向性、相干性、 单色性差。null自发辐射跃迁几率A21：A21— 单位时间内，N个高能级原子中发生 自发辐射跃迁的原子数与N的比值。单位时间、单位体积内自发辐射的光子数每种原子中的两个能级就有一个确定的A21值null例： A21=0.5×108/秒意味着：在10-8/秒内E2上的原子将有一半 通过自发辐射回到低能级E1上。 即：E2能级上的每个粒子发生自发辐射的 几率是1/2。通常：原子系统中符合辐射跃迁定则的两个 能级间的A21约为107~ 108/秒的量级。 自发辐射跃迁几率A21只与原子本身性质有关，与辐射场无关。null(b)受激辐射 E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用，而跃迁到能级E1上，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。null受激辐射跃迁几率W21：单位时间、单位体积受激辐射的光子数。B21—受激辐射系数，原子能级系统的特征参量 u(ν) —外来光子的单色辐射能量密度W21 = B21 u(ν)受激辐射与外来光有关nullW21— 单位时间内，在能量密度为u(ν)的光 照射下，由于受激辐射跃迁从能级E2 跃迁到能级E1的粒子数在E2能级总粒 子数中所占的比例。 受激辐射跃迁与自发辐射跃迁是本质不同的物理过程。null受激辐射的特点⑴ 必须有外来光子，其能量ε=hν=E2-E1 才能发生。 ⑵ 受激辐射的光子与外来光子同属一个光 子态（特性完全相同）。 ⑶ 可使外来光得到放大。null(c) 受激吸收光的受激吸收是同受激辐射相反的过程。原子受外来光作用，完全吸收外来光子，并跃迁到E2能级。* 必须有外来光子null受激吸收跃迁几率W12：B12—受激吸收系数，原子能级系统的特征参量 u(ν) —外来光子的单色辐射能量密度W12 = B12 u(ν)受激辐射与外来光有关null3)爱因斯坦公式当 g1 = g2 时， 有 B12 = B21、W12 = W21当 g1=g2时受激辐射跃迁几率等于受激吸收几率null自发辐射与受激辐射强度之比自发辐射的光功率 I自=N2A21hν受激辐射的光功率 I受=N2B21u(ν)hν在热平衡情况下对光波总是自发辐射占优势null例如： 在T=1500K，λ=0.5μm的热平衡空腔中null4)光的吸收和增益 外来光子激励时，受激辐射和受激吸收两个过程同时发生（当外来光足够强时，自发辐射可以忽略）。受激辐射 < 受激吸收 入射光宏观上表现为光吸收 受激辐射 > 受激吸收 入射光宏观上表现为光放大null光放大的条件设：dt时间、单位体积内受激辐射光子数dN21 dt时间、单位体积内受激吸收光子数dN12 null(1) N2 < N1，受激辐射 < 受激吸收，光吸收 (2) N2 > N1，受激辐射 > 受激吸收，光放大粒子数反转分布,与热平衡时玻尔兹曼分布相反N2 >N1产生光放大的必要条件null激活介质：能够实现粒子数反转的介质。增益系数：描述激活介质对光的放大能力null(2) 泵浦源（激励源）泵浦源：向工作物质供给能量，把原子、分 子从基态激发到高能态，并形成粒 子数反转分布的能源。null常用的泵浦源有：光学泵浦：利用光源的光辐射把原子泵浦 到高能态。（固体、染料） 光 源：高亮度氙灯、氪灯、激光器气体放电泵浦：利用气体放电中形成的电子 或离子与工作物质的原子或 分子作非弹性碰撞，把其激 发到高能态。（气体、金属蒸汽）null粒子数泵浦：向工作物质注入高能电子或离 　　　　　　子，让他们与工作物质的原子　 　　　　　　或分子作非弹性碰撞，把其激 发到高能态。（高压气体、半导体）化学泵浦：利用工作物质本身化学反映时产 生的能量把原子、分子激发到高 能态。（化学） null (3) 谐振腔的作用作用：创造条件，使谐振腔内的受激 辐射能够多次通过激活介质。谐振腔决定着输出激光的基本特性 即：方向性、相干性和输出功率null开式谐振腔：被非反射侧壁封闭的谐振腔光学谐振腔：两面相隔一定距离的反射镜 就组成了一个光学谐振腔特点：开放式的腔；腔的尺寸》波长null a. 定向、选频作用—— 得到高度平行 的单色性好的激光对于稳定腔，只有与轴线平行的光束， 才能在腔内来回反射连锁放大。nullb. 光来回反射相当于经镜面多次衍射，形 成一稳定的场分布例如：平行平面腔 讨论：在经相当多次衍射后，波具有什么特性，即光场是怎样的，其振幅和位相如何？ 波传播时，每次都要在谐振腔的边界上被衍射，我们可将其看成是一连串衍射孔的作用。nullc. 选频——得到单色性好的激光开腔的作用：限制激光在几个模式或一个 模式上振荡。nulld. 为激光振荡提供正反馈，以增强光同 介质的相互作用。 激活介质的长度L和增益是有限的，多次反射增大了实际的L，可得到高强度的激光。null1. 激活介质处于粒子数反转分布状态 ☻要实现粒子数反转必须 　外有激励能源（光、电、热…泵浦） 　内有亚稳态（三能级、四能级系统） ☻实现粒子数反转能使光吸收转化为光放大 ☻描述光放大的物理量是增益系数G（ν） 产生激光必须满足的条件2. 满足光振荡的阈值条件null2. 激光光束的基本特点null高斯光束共焦腔：光场不仅在镜面上是高斯分布，在 整个谐振腔内及输出腔外的分布也 是高斯函数的形式。null振幅分布位相分布其中：null高斯光束：振幅随着离开腔轴的距离r的变 化呈高斯型分布的行波光束。 null高斯光束的特征近似为： 非均匀的，曲率中心不断变化的球面波。（1）光束半径ω（z）随Z变化。Z=0 处称为光腰null光束半径ω（z）随Z变化是双曲线函数ω0ω (z)ωos振幅降到轴上的1/enull(2) 波面曲率半径R（z） R(z) > z，且曲率中心不同。null（3）远场发散角00 ——为双曲线的两根渐近线间的夹角 对一般气体激光器来说，、L各异，但其0的数量级大都在毫弧度上。null小 结 共焦腔中的光束是一种叫做“高斯光束”的特殊光束，它具有近似球形的波阵面，但在以下几个方面却与球面波有原则差别。（1）振幅：振幅分布呈高斯分布 （2）位相：不同波阵面球心不同 （3）发散角：波面仅局限在微小的发散角内 null激光的基本特性高相干性和高单色亮度（1）高相干性—时间相干、空间相干时间相干性好——单色性好空间相干性好——方向性好null（2）高亮度、高单色亮度光源的辐亮度在其它条件不变的情况下 ΔΩ↙→L↗， Δt↙→L↗。null光源的光谱亮度高因为激光的单色性好（Δ小） 所以激光能量在频谱上也是高度集中的单色亮度 成了区别激光与普通光源的更 有代表的特性。null3. 常用红外激光器null（1）钕玻璃激光器在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质 = 1.06 μm由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率1014W激光器。null（2）掺钕钇铝石榴石（ Nd ：YAG）输出波长： = 1.06 μm工作方式：连续、高重复率脉冲 工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦源的器件体积更小。null（3）氦-氖激光器工作物质：氦氖混合气体激光由氖原子发射，氦气体起改善气体放电条件，提高激光器输出功率的作用。输出波长：常用的为 =632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光。（=3.39μm ；=1.15μm）null（4）CO2 激光器工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命。输出波长：  =10.6μm；  =9.6μm是输出功率最高的气体激光器，有连续输出50kW；脉冲输出1012W的激光器。null(5)半导体激光器 半导体激光器是各类激光器中体积最小、重量最轻的激光器，使用寿命长，有效使用时间超过10万小时。输出波长主要在900nm附近 输出功率在90mW~100mW之间。由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器。null§3.3自然辐射源目标和背景辐射源（目标和背景是相对的）一. 辐射模型1.粗糙表面的朗伯近似 有些天然表面、军事目标可视为漫反射 Lλ=M λ/π 2.平滑表面的镜面近似 无波纹的液面、海面可形成部分镜面反射 Lλ’= ρλ Lλ 3.堆叠平面模型 一种漫反射材料上堆另一种漫反射材料 4.平面混合模型：两种或多种辐射源放在一平面上null二. 几种目标和背景的辐射1.人体的辐射 人体皮肤的ε很高 λ > 4μm，ε 的平均值为0.99 λ > 2μm以上完全和黑的一样。人体肤温与环境血液循环，新陈代谢有关 室温为21 ℃时，脸、手肤温大约为32℃。null计算人体辐射：null2.太阳的辐射 太阳表面的辐射大体上接近黑体粗略估算时可视为T=5900K的黑体。太阳常数：在日地平均距离上，在地球大 气层外测得的太阳的照度。地球表面的照度≈2/3 太阳常数 ≈0.09W/cm2太阳常数≈0.1353W/cm2null§ 3.5红外辐射在大气中的传输一.大气的组成大气是由多种气体分子和悬浮微粒（固态、液态） 组成的混合体。多种气体按混合比例可分为不变和可变成分不变成分：它们的相对比例在直到80公里的高度上 几乎不变。 可变成分：它们的含量随温度、高度和位置而变化null80公里以下干燥洁净大气中各种气体的含量（不变成份）组份 体积百分比 2µm~15 µm间吸收 氮 78.084 氧 20.946 氩 0.934 二氧化碳 0.032 有强烈吸收 氖 氦 甲烷 含量少 有 一氧化二氮含量少 有p127null可变成分主要是：水蒸气、臭氧水蒸气：是大气中主要的红外吸收成分 在空气中随高度增加含量减少。12公里以上可忽略。臭氧：低空中难以观测，随高度增加含量 增加。悬浮微粒：云、雾、雨、雪、尘埃等。null二. 大气吸收、散射导致的辐射衰减辐射通过大气，因受到大气的影响而减弱。null因此：在红外波段，吸收比散射严重得多。多数情况，辐射衰减主要由以下原因造成： 1.大气中某些气体的选择性吸收 2.大气中气体分子及悬浮的液态、固态微粒 的散射null例：在海平面上1800m水平路程（有17mm可降 水分）所实地测得的光谱透过率。可降水分：是沿光线方向上所有的水蒸气在与光束有相同横截面积的容器内凝结成水层的厚度，其厚度就是该路程上水蒸气含量的度量（mm/km）。由光谱透过率可见，大气对红外线较透明区集中在1-3 μm，3-5 μm ，8-14 μm三个窗口。null1.大气吸收大气的分子吸收是使红外线衰减的重要原因它们有强的吸收带，并有相当高的含量。null在波长大于15μm的光谱区，H2O、CO2有非常多的吸收带，因此，只要在大气中经过几米长的路程，波长在这个光谱区的红外辐射多数被吸收。实际上，几米厚的大气对于15μm以上的红外辐射就不透明了。图6-8（p145）null2.大气散射大气中悬浮微粒：云、雾、雨、雪、尘埃、烟等微粒直径：0.01 μm ——几十μm低空大气中：大气悬浮物多散射较高空严重； 农村好天气里：100个/cm； 工厂区：十万个/cm。在吸收很小的大气窗口中，散射是衰减的重要原因null散射引起的辐射衰减1.当λ>>粒子大小时产生瑞利散射 γ∝1/λ4 大气中的雾和云大小：5~15 μm 间分布较多对λ<15 μm 的红外线与雾、云大小差不多，米氏散射为主，透过率很低。可见，常用的红外装置不可能是全天候工作的。2.当λ~粒子大小时，产生米氏散射。null3.微粒大小>>15 μm时对λ<15 μm 的红外线散射是不显著的。雨滴的大小>>15 μm 。可见，红外线在雨中的散射要比在雾或云中小得多，传输性能要好。null可见：在小雨以致大雨时红外辐射仍能保持一 定的透过率。例：测空气污染